一种基于复合漏极的GaN双向阻断垂直功率器件

一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件。


背景技术：

2.垂直器件与横向器件相比，具有更宽的电流通道，更容易实现大电流、大功率以及低功耗。将电场引入器件体内，耐压性更好，可以有效避免由于器件表面电场集中而造成器件功能退化的一系列问题。由于实现体内导电，能有效抑制电流崩塌，更高的单位器件面积利用率，能有效减小器件面积，降低成本。垂直功率器件静态输入阻抗高，驱动电路简单，所需驱动功率小，并且开关速度快，开关损耗小，工作频率高，动态特性好。
3.双向阻断器件是ac-ac(交流-交流)变换电路中的重要器件，传统方式为实现双向阻断的功能，是将常规晶体管与一个可以耐高压的二极管相串联，但是，串联的二极管引起通态压降的增大，增加了损耗。而采用双向阻断器件具有反向耐压能力，可以去除二极管，相对于传统串联二极管的模式，双向阻断器件减少器件数目的同时，还降低了通态压降和损耗。基于第三代宽禁带半导体gan的双向阻断垂直功率器件，相对传统模式缩小了器件面积，减小了寄生电容，具有良好的开关特性。
4.现有基于肖特基漏极的垂直功率器件中，肖特基漏极与衬底的金-半接触为肖特基接触，金属和半导体材料相接触的时候，在界面处半导体的能带弯曲，形成肖特基势垒，具有良好的整流特性，能够实现双向阻断特性。然而势垒的存在导致了大的界面电阻，从而使得正向特性开启电压较大，1v左右。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件，包括肖特基漏极、多个欧姆漏极、衬底、漂移层、沟道层、导电层、栅极介质、源极和栅极，其中，
7.所述肖特基漏极、所述衬底、所述漂移层、所述沟道层、所述导电层和所述栅极介质自下而上依次设置，所述多个欧姆漏极均匀镶嵌在所述肖特基漏极内部，且所述多个欧姆漏极和所述肖特基漏极的上表面均与所述衬底的下表面接触；
8.所述肖特基漏极与所述衬底采用肖特基接触，所述多个欧姆漏极与所述衬底均采用欧姆接触；
9.所述源极设置在所述栅极介质的两侧，所述源极的下表面向下延伸至所述沟道层；所述栅极设置在所述栅极介质的中部，所述栅极向下延伸至所述漂移层且通过所述栅极介质与所述漂移层、所述沟道层和所述导电层间隔开。
10.进一步地，所述欧姆漏极的厚度小于所述肖特基漏极的厚度。
11.进一步地，所述欧姆漏极成长条形结构，多个所述欧姆漏极平行设置在所述肖特
基漏极内部且从所述肖特基漏极的一侧延伸至相对的另一侧。
12.进一步地，所述源极与所述沟道层形成欧姆接触，所述栅极与所述栅极介质形成肖特基接触。
13.进一步地，所述基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件还包括电流阻挡层，所述电流阻挡层设置在所述漂移层上表面左右两侧，且所述电流阻挡层的上表面与所述导电层的下表面接触。
14.进一步地，所述漂移层为n-gan漂移层，掺杂浓度为1
×
10
15
～5
×
10
18
cm-3
；所述沟道层为p

gan沟道层，掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
；所述导电层为n

gan导电层，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～1
×
10
20
cm-3
。
15.进一步地，所述栅极介质的中部形成延伸至所述沟道层上表面的t形凹槽，所述t形凹槽内设置有一层0.002～0.2μm的栅极介质，在所述t形凹槽的栅极介质上形成t形的栅极。
16.进一步地，所述漂移层的厚度为0.02～30μm，所述沟道层的厚度为10～1000nm，所述导电层的厚度为10～1000nm。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
18.1、当肖特基漏极的金属-半导体接触为肖特基接触时，在半导体的界面处能带弯曲，形成一个高势能区即肖特基势垒。本发明基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件，当漏极施加反向电压时，电子必须高于势垒的能量才能越过势垒，起到了反向阻断的作用。
19.2、欧姆接触不会产生明显的附加阻抗，本发明基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件提出一种复合漏极的形式，加入欧姆方块电极，可以有效减小开启电压且仍保持肖特基接触的整流特性，但仍具有双向阻断能力。
20.3、由于肖特基电极与欧姆电极复合，降低了器件的导通电阻，进而降低了功耗。
21.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
22.图1是本发明实施例提供的一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件的结构示意图；
23.图2是本发明实施例提供的一种复合漏极的结构示意图；
24.图3是本发明实施例提供的另一种复合漏极的结构示意图；
25.图4是基于肖特基漏极的垂直功率器件和本发明实施例基于复合漏极的垂直功率器件的正向输出特性曲线对比图；
26.图5是本发明实施例提供的另一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件的结构示意图。
27.附图标记说明：
28.1-肖特基漏极；2-欧姆漏极；3-衬底；4-漂移层；5-沟道层；6-导电层；7-栅极介质；8-源极；9-栅极；10-电流阻挡层；11-势垒层。
具体实施方式
29.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合
附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件进行详细说明。
30.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
31.应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
32.实施例一
33.本实施例提供了一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件，请参见图2和图3，该垂直功率器件包括肖特基漏极1、多个欧姆漏极2、衬底3、漂移层4、沟道层5、导电层6、栅极介质7、源极8和栅极9。肖特基漏极1、衬底3、漂移层4、沟道层5、导电层6和栅极介质7自下而上依次设置，所述多个欧姆漏极2均匀镶嵌在肖特基漏极1内部，且所述多个欧姆漏极2和肖特基漏极1的上表面均与衬底3的下表面接触。肖特基漏极1与衬底3采用肖特基接触；多个欧姆漏极2与衬底3均采用欧姆接触。
34.源极8设置在栅极介质7的两侧，源极8的上表面与栅极介质7的上表面齐平并向下延伸至沟道层5的内部。栅极介质7的中部设置有栅极9，所述栅极9向下延伸至漂移层4上表面，且通过栅极介质7与漂移层4、沟道层5和导电层6间隔开。
35.在本实施例中，如图2所示，欧姆漏极2呈长条形结构，多个所述欧姆漏极2平行设置在肖特基漏极1内部且从肖特基漏极1的一侧延伸至相对的另一侧。所述多个欧姆漏极2的厚度均小于肖特基漏极1的厚度。在其他实施例中，欧姆漏极2还可以是其他合适的形状，例如圆柱形(如图3所示)、六边形等。需要说明的是，需要保持肖特基漏极在施加反向电压时可以保证将载流子耗尽。
36.进一步地，本实施例的衬底3选用蓝宝石、sic、si和gan中的一种。肖特基漏极1采用可与衬底3形成肖特基接触的金属，例如ni/au、ni/au/ni、pt/au、ni/pt/au和w/ti/pt中的任一种多层金属；欧姆漏极2采用ti/al/ni/au、ti/al/ti/au、ti/al/mo/au或ti/al/ti/tin多层金属中的一种。
37.优选的，漂移层4为n-gan漂移层，厚度为0.02～30μm、掺杂浓度为1
×
10
15
～1
×
10
18
cm-3
；沟道层5为p

gan沟道层，掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
，厚度为10～1000nm；导电层6为n

gan导电层，厚度为10～1000nm，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～1
×
10
20
cm-3
。
38.栅极介质7的可用材料包括sio2、sin
x
、hfo2、al2o3或tio2，其厚度为0.002～0.2μm。进一步地，栅极介质7的中部形成延伸至沟道层5上表面的t形凹槽，所述t形凹槽内设置有一层0.002～0.2μm的栅极介质，在所述t形凹槽的栅极介质上形成t形的栅极9。
39.在具体制备过程中，首先在导电层6上生长一层0.002～0.2μm栅极介质7，并在栅极介质7的中部刻蚀出t型的栅凹槽，所述栅凹槽向下延伸至漂移层4的上表面或内部，随
后，在所述栅凹槽淀积一层0.002～0.02μm左右的栅极介质7，最后在所述栅凹槽内生长t型的栅极9。
40.在本实施例中，源极8与沟道层5形成欧姆接触，栅极9与栅极介质7形成肖特基接触。
41.具体地，源极8采用ti/al/ni/au或者ti/al/pt/au的多层金属，以与沟道层5形成欧姆接触；栅极9采用可与栅极介质7形成肖特基接触的金属，例如ni/au/ni或ni/au或w/au或mo/au的多层金属。
42.在实际使用过程中，当肖特基漏极1的金属-半导体接触为肖特基接触时，在半导体的界面处能带弯曲，形成一个高势能区即肖特基势垒。本实施例基于复合漏极的垂直功率器件，当漏极施加反向电压时，电子必须高于势垒的能量才能越过势垒，起到了反向阻断的作用。但肖特基接触由于势垒的存在导致了较大的界面电阻，正向导通时无法直接开启，存在开启电压。而与之对应的欧姆接触，接触电阻很小，因此，采用肖特基漏极与欧姆漏极结合的复合漏极可以减小正向的开启电压。
43.请参见图4，图4为基于肖特基漏极的垂直功率器件和本发明实施例基于复合漏极的垂直功率器件的正向输出特性曲线对比图，其中，虚线为基于肖特基漏极的垂直功率器件，实线为本实施例基于复合漏极的垂直功率器件，自下而上分别为栅极电压vg＝5、6、7、8v，可以看到基于肖特基漏极的垂直功率器件大概在1v左右才能开启，而本实施例基于复合漏极的垂直功率器件降低开启电压至几乎没有。
44.进一步地，如图4所示，当栅极电压vg＝6v时，实线代表本发明实施例基于复合漏极的垂直功率器件，可以估算出在线性区的导通电阻为r
on
＝4.5
×
104ω，虚线代表基于肖特基漏极的垂直功率器件，可以估算出在线性区的导通电阻为r
on
＝3.4
×
105ω，可以看出本发明实施例的复合漏极结构有效减小了导通电阻，进而降低了功耗。
45.当肖特基漏极的金属-半导体接触为肖特基接触时，在半导体的界面处能带弯曲，形成一个高势能区即肖特基势垒。本发明基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件，当漏极施加反向电压时，电子必须高于势垒的能量才能越过势垒，起到了反向阻断的作用。本实施例基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件提出一种复合漏极的形式，加入欧姆方块电极，可以有效减小开启电压且仍保持肖特基接触的整流特性，但仍具有双向阻断能力。
46.实施例二
47.在实施例一的基础上，本实施例提供了另一种基于复合漏极的gan双向阻断垂直功率器件，如图5所示，该垂直功率器件包括肖特基漏极1、多个欧姆漏极2、衬底3、漂移层4、沟道层5、势垒层11、栅极介质7、源极8和栅极9。肖特基漏极1、衬底3、漂移层4、沟道层5、势垒层11和栅极介质7自下而上依次设置，所述多个欧姆漏极2均匀镶嵌在肖特基漏极1内部，且所述多个欧姆漏极2和肖特基漏极1的上表面均与衬底3的下表面接触。肖特基漏极1与衬底3采用肖特基接触；多个欧姆漏极2与衬底3均采用欧姆接触。所述多个欧姆漏极2的厚度均小于肖特基漏极1的厚度。源极8设置在栅极介质7的两侧，源极8的上表面与栅极介质7的上表面齐平并向下延伸至沟道层5的内部。栅极介质7的中部设置有栅极9，所述栅极9向下延伸至漂移层4上表面，且通过栅极介质7与漂移层4、沟道层5和势垒层11间隔开。
48.进一步地，该器件还包括电流阻挡层10，从而形成电流孔径垂直电子晶体管结构(cavet，current aperture vertical electron transistor)，电流阻挡层10设置在漂移
层4上表面左右两侧，且电流阻挡层10的上表面与导电层6的下表面接触。
49.优选的，漂移层4为n-gan漂移层，厚度为0.02～30μm、掺杂浓度为1
×
10
15
～1
×
10
18
cm-3
；沟道层5为p

gan沟道层，掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
，厚度为10～1000nm。势垒层11采用algan材料，al组分占比为0.05～0.8，厚度为10～200nm。势垒层11和沟道层5形成algan/gan结构，形成二维电子气导电。
50.电流阻挡层10的功能是抑制非栅极覆盖区域的载流子输运，使得电流在孔径区域发生聚集。优选的，电流阻挡层10的厚度为0.2～1μm，在漂移层4上表面左右两侧对称分布，材料为p型gan。
51.在本实施例中，如图2所示，欧姆漏极2呈长条形结构，多个所述欧姆漏极2平行设置在肖特基漏极1内部且从肖特基漏极1的一侧延伸至相对的另一侧。所述多个欧姆漏极2的厚度均小于肖特基漏极1的厚度。在其他实施例中，欧姆漏极2还可以是其他合适的形状，例如圆柱形、六边形等。
52.在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
53.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。
54.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。